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舌孙
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1 铌 / 钒微合金化 400MPaⅢ 级钢筋的生产技术东涛付俊岩 CBMM-CITIC 中信微合金化技术中心, 专家委员会摘要自 1995 年以来, 推广应用 400MPaⅢ 级钢筋一直以微合金化为主体, 近年来国际资源供应匮乏和合金价格上涨等因素的影响, 各钢厂在恢复含 Nb 钢筋的生产本文以 Nb 微合金化的不同特性说明含 Nb 微合金化钢筋生产的基本工艺要求 1 400MPaⅢ 级热轧带肋螺纹钢筋的生产现状 1995 年, 冶金部和建设部下达关于推广应用 400Mpa 新 Ⅲ 级钢筋的通知, 大力推动了新 Ⅲ 级钢筋的生产示范和交流工作 2000 年 2 月由中信金属公司和美国钒公司在北京联合举办了新 Ⅲ 级钢筋推广暨 N 微合金化技术国际研讨会,2002 年和 2003 年相关学会在杭州和桂林又召开了两次 Ⅲ 级钢筋的学术交流会, 主要突出了三个问题 :1 采用 Nb Ti 微合金化技术生产 400MPa-Ⅲ 级钢筋 ;2 以微合金化为主 ;3 推广 N 合金的应用于 2002 年 4 月由建设部颁布混凝土结构设计新规范, 突破了 30 年不变 335MPa-Ⅱ 级钢筋一统天下, 又与国际钢筋等级接轨, 刷新了 335MPa Ⅲ 级钢筋的强度指标近年,400MPa-Ⅲ 级钢筋的产量快速增长 ( 见表 1), 年增长率在 200% 以上,2002 年 41 家钢铁企业生产了万吨, 初步统计 2003 年产量在 230 万吨左右, 分别占全部钢筋产量的 4% 和 5.9%, 预测 2005 和 2010 年建材行业的钢材消费分别占国内钢材总消费的 48% 和 55%,400MPa- Ⅲ 级钢筋的产量占钢筋总产量的 8.7% 和 24% 济钢首钢宝钢上钢一厂马钢等在 2001 年和 2002 年按照加标美标英标日标还生产过 400MPa 级以上钢筋 28.1 万吨和 7.7 万吨表 1 近年中国钢筋产量及未来消费预测 ( 万吨 ) 项目 2000 年 2001 年 2002 年 2003 年 2005 年 2010 年 Ⅲ 级钢筋产量钢筋总产量建材行业钢材消费国内钢材总消费国际钒资源匮乏价格暴涨, 出现以 Nb 替代微合金化生产钢筋的趋势各钢厂采用不同的化学成分和工艺生产 400MPaⅢ 级钢筋, 在 20MnSi 钢基础上采取 Nb Ti 微合金化及余热热处理方法, 也有以超细晶粒碳素钢 (Q235) 的轧制方法 2002 年生产的 400MPa -Ⅲ 级钢筋中微合金化钢万吨, 占 88%,Nb 微合金化钢 21.7 万吨, 占 12% 大于 400MPa 的钢筋, 采用 /Nb 微合金化或穿水冷却生产目前由于钒铁和钒氮合金的价格爆涨, 国内钢筋市场态势十分严峻, 一方面对 Ⅲ 级钢筋的强劲需求, 另一方面铁和 N 合金价格不断上涨, 使 Ⅲ 级钢筋的生产厂面临成本增长的困难, 表 2 为近 1

2 几月产品的价格表 2 近几月产品和 Nb-Fe 的价格走势 ( 万元 / 吨 ) 产品 2003 年 7 月 2004 年 1 月 2004 年 2 月 Fe N O Nb-Fe (66%Nb) 考虑到涨价因素,400Mpa-III 级钢筋生产成本粗略计算如下 : Nb 微合金化钢筋 (0.03%Nb), 吨钢添加合金成本为 30 元 ; 微合金化钢筋 (0.08%), 吨钢添加合金成本为 250 元 ; N 微合金化钢筋 (0.04%), 吨钢添加合金成本为 215 元 ; 采用以 Nb 替代微合金化后, 吨钢添加合金成本低 220 元和 185 元, 以年产 6000 万吨钢筋中 8% 的 Ⅲ 级钢筋计算, 企业降低合金成本大约为 7.5 亿元我国 Nb 微合金化钢筋生产开始于上一世纪 90 年代初, 在首钢, 南钢济钢宣钢及昆钢都已取得成功经验, 涟钢最近也开始试生产含 Nb 钢筋 3 Nb 和微合金化特性对比 3.1.Nb 和微合金化的共同点 1 在钢筋中的加入量都很少, 小于 0.10%; (2) 在钢中可形成碳化物氮化物碳氮化物, 具有溶解析出行为 ; (3) 通过细化晶粒和二次析出, 对钢的力学性能产生影响 ; (4) 国内外都有生产 400MPa 级钢筋的成功经验 3.2.Nb 和微合金化强韧化效果的差异 1 对高温热塑性的影响 - 连铸表面裂纹问题钢的连铸过程, 在钢坯心部完全凝固后, 转入扇型弯曲段及随后的矫直段, 正处于钢的高温塑性低谷区 ( 见图 1), 采取适宜的铸速和二冷制度, 可以避免在塑性低谷区产生钢坯表面横裂这个塑性低谷区的开始点 (TA): 微合金化钢 :880~1000 ; Nb 微合金化钢 :950~1220 ; Nb- 微合金化钢 :950~1100 ; Nb-Ti 微合金化钢 :820~900 采取 Nb-Ti 复合微合金化 ( 添加 0.015%Ti), 可以使塑性低谷区开始点降到 900 以下此外, 钢中 [%Al] [%N] 值是个重要因素, 所以在一定的含 Nb 量下, 通过降低钢中 [%Al] [%N] 值, 使 TA 降低 2

3 图 1 缩小塑性低谷区对高温塑性的影响 2 碳 - 氮化物溶解析出行为通常以固溶度积公式来表达 Nb 和在不同温度下奥氏体中的溶解或析出的规律 Lg([Nb] [N])γ= /T Lg([Nb] [C])γ= /T Lg([] [N])γ= /T Lg([] [C])γ= /T Nb Ti 及 AL 的溶解 - 析出特性也可以用图 2 表示图 2 微合金碳化物 / 氮化物溶解度 3

4 析出先后顺序基本上为 :TiN AlN NbN N NbC TiC C 在不同温度下, 奥氏体中最大溶解度见表 3 从表 3 可知, 对于含 Nb 量为 0.04% 的钢, 在普通含 N 量和较高含 N 量的情况下, 均热温度需在 1050 和 1200 ; 对于含量为 0.06% 的钢, 在普通含 N 量和较高含 N 量的情况下, 均热温度需在 1050 和 1250, 此时钢中的 Nb 或可以完全溶解表 3 均热温度 ( ) 0.20C 0.004N Nb 和在奥氏体中最大溶解度 Nb C 0.20C 0.008N 0.004N C 0.012N 以析出为主导的强韧化机制 Nb 和钢的比较见表 4 表 4 Nb 和钢比较强韧化因素 Nb 先析出 NbN, 细化铸造组织抑制高温奥氏体晶粒长大 x x 高温析出抑制再结晶长大有限形变诱导析出有限奥氏体内部 Nb(C.N) 析出有限有限铁素体内部析出 x 对铁素体再结晶影响 4 对 γ/α 相变的影响对 γ/α 相变的影响主要通过三个方面对钢的强韧化发挥作用 ; 富化 γ/α 生核 ; 细化组织 ; 改变相变类型 Nb 的作用比较突出, 在控制冷却的情况下, 可以改变相变类型, 也可以在相变后调整 CN 化物析出及其分布而只有强烈的析出强化含量图 3 显示含 Nb 钢筋在不同冷却速度下的强度水平, 起作用的是终轧后仍溶于钢中的有效 Nb 4

5 图 3 含 Nb 钢筋控冷下的强度增量图 4 热轧板卷中和 N 由于 N 的析出产生的屈服强度增加图 5 含 Nb 或微合金化螺纹钢筋的强度增量 5

6 2 对性能的综合影响在热轧板带中的析出的强度增量见图 4, 在 0.005%N 时增加强度 30~75%Mpa, 随着含 N 量的增加,0.012%N 时, 强度增量达到 100~120Mpa 而 NB 的强化效果相当的情况下,Nb 的加入量仅仅为的加入量的一半, 见图 5 不同碳含量的 Nb 微合金化钢筋拉伸性能见图 6 Nb- 复合和 -N 复合微合金化钢筋的可以取得较好的综合效果图 6 直径 40mm 含 Nb 螺纹钢筋的力学性能 3 对规格的敏感性微合金化钢筋在自然冷却的条件下即可得到较高的强度, 适合生产大规格的钢筋 Ø25~40mm Nb 微合金化钢筋必须采取控制冷却, 可生产较小规格的钢筋 Ø6~25mm Ø6~12mm 的钢筋可采取如下的化学成分 : 0.14~0.17%C 0.8~1.47%Mn 0.12~0.25%Si 0.03~0.05%Nb 4 Nb 微合金化钢筋的生产工艺要点 4.1 化学成分 1 降 C 是必须的, 较大规格钢筋适宜的含 C 量为 0.16~0.18%, 含 N 量控制在 40~60ppm 2 强度通过晶粒细化和二次析出来保证,0.03%Nb 左右已足够 3 为改善钢筋的延性力求低 N 降 S,40~50ppmN,0.01~0.015%S 4.2 为在较低温度下终轧, 必须降低均热温度含 Nb 量 (%)

7 0.16%C 时 %C 时 %C 时与轧机的类型相关连续式轧机, 由于较高的轧速, 传搁时间短, 迟缓再结晶长大, 会取得较细的组织 ; 半连续及横列式轧机可以在粗轧阶段调整温度和压下, 精轧段控制好终轧温度和具备控冷条件不同类型轧机生产的钢筋性能如下 : σs(mpa) σb(mpa) δ5(%) 连续式轧机半连续式轧机横列式轧机粗轧平均道次压下率 14~15%, 精轧段总压下率不小于 50% 4.5 终轧温度控制, 最佳终轧温度 820~860, 最高不高于 950, 若终轧温度小于 800, 可获得超细晶粒 dα2~3 μm 晶粒尺寸与屈服强度关系见图 7 图 7 晶粒尺寸与屈服强度关系 4.6 轧后空冷根据钢筋规格调整轧后冷却速度 5~10 /S 5 生产中的几个问题 5.1 表面裂纹采取 Nb-Ti 复合微合金化 (0.03%Nb-0.015%Ti) 及连铸时矫直温度 900 以上 5.2 无物理屈服主要因素是超细晶粒及轧后不适当的冷却, 形成贝氏体相对于微合金化控轧钢无物理屈服 7

8 和高屈强比都是正常的, 只要保证钢的延性要求 5.3 强度偏低强化效果主要取决于 : 1 终轧时, 仍然溶于钢中的 Nb 含量, 称为有效含量 ; 2 终轧后冷却条件, 既需要控制析出物的数量颗粒度分布状态也要考虑到组织类型 5.4 强度韧性不匹配通过化学成分轧制工艺来调整, 钢坯加热温度是关键 5.5 时效倾向 Nb 对 N 的固定作用见图 8, 组织和固溶 N 含量对延性的影响见图 9 重要的是钢中含 Nb 量符合当量关系, 轧后钢中残余游离氮含量不要超过 10ppm 图 8 Nb 对 N 的固定作用图 9 组织和固溶 N 含量对延性的影响 8

9 5.6 组织类型和晶粒度 400MPa 级热轧钢筋, 组织类型应为 F+P+ 少量贝氏体 ( 不大于 10%), 晶粒度级低碳贝氏体的存在可以保持高的强度和延性, 只是无明显的物理屈服现象 6. 结语总之, 在生产含铌 400MPa 热轧钢筋时控制钢的化学成分 ( 主要为碳锰和氮 ) 轧制工艺和轧后冷却, 能够生产出性能优良的 400MPa 钢筋以铌代钒生产 400MPaIII 级热轧钢筋不仅是可行的, 而且其经济效益必将会十分明显 9

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<4D F736F F D20CED2B9FA D5061C8C8D4FEB4F8C0DFB8D6BDEEC9FAB2FAD3A6D3C3B5C4CFD6D7B42E646F63> 我国 400MPa 热轧带肋钢筋生产应用的现状徐寅中国钢铁工业协会 l 我国 400 MPa 热轧带肋钢筋生产应用的进展改革开放以来, 我国的经济建设得到了很大的发展, 尤其是进人 20 世纪 90 年代, 随着经济建设的发展, 工程建设的投资逐年增加, 对混凝土结构工程必需的主要钢铁材料一螺纹钢筋的需求量也在不断增长, 表 1 显示了 1995 年以来, 我国螺纹钢筋的产量进出口量和消费量